机器人方法可以加速再生医学研究和药物发现

资源：

华盛顿大学健康科学/华盛顿大学医学院

概要：

已经开发出一种机器人系统，用于自动生成源自干细胞的人体小器官。快速大规模生产类器官的能力有望扩大小器官在基础研究和药物发现中的应用。该系统在生产肾脏类器官方面进行了测试，包括多囊肾病模型。机器人还被编程以分析它们产生的类器官。

使用机器人的自动化系统被设计用于快速生产源自干细胞的人体小器官。西雅图华盛顿大学医学院的研究人员开发了新系统。

根据英国华盛顿大学医学院肾脏病学助理教授本杰明弗里德曼领导研究工作，这一进展有望大大扩展小型器官在基础研究和药物研发中的应用。

“这是我们抗击疾病的新'秘密武器'，”威斯特曼说，他是威斯康星大学干细胞与再生医学研究所以及西北肾脏中心合作的肾脏研究所和UW Medicine 的科学家，。

一份描述这项新技术的报告将于5月17日在线发表在Cell Stem Cell杂志上。主要作者是来自Freedman实验室的研究科学家Stefan Czerniecki和Nelly Cruz，以及密歇根大学医学院肾脏病学内科医学助理教授Jennifer Harder，她是肾病专家。

弗里曼解释说，传统的生物医学研究细胞培养方法是将它们培养成平面的二维片材，这些片材过于简单化。近年来，研究人员越来越成功地将干细胞培养成更复杂的三维结构，称为小器官或类器官。这些类似于基本器官，并且在许多方面表现相似。虽然这些特性使得类器官成为生物医学研究的理想选择，但它们也对大规模生产构成了挑战。据开发人员称，大规模生产类器官的能力是新机器人技术最激动人心的潜在应用。

在这项新研究中，研究人员使用机器人系统自动化将干细胞培养成类器官的过程。虽然类似的方法已成功用于成体干细胞，但这是成功自动化从多能干细胞制造类器官的第一份报告。该细胞类型是通用的并且能够成为任何类型的器官。

在这个过程中，液体处理机器人将干细胞引入到每个含有多达384个微型孔的板中，然后诱导它们在21天内变成肾脏类器官。每个小微孔通常含有十个或更多个类器官，每个板含有数千个类器官。凭借给亨利福特的汽车装配线留下深刻印象的速度，机器人可以在很短的时间内生产出许多板材。

“通常情况下，只需设置一个如此规模的实验就可以让研究人员整整一天，而机器人可以在20分钟内完成，”弗里德曼说。

“最重要的是，机器人不会感到疲倦并犯错误，”他补充道。 “毫无疑问。对于像这样的重复，乏味的任务，机器人比人类做得更好。”

研究人员进一步训练机器人处理和分析它们产生的类器官。 Harder和她在密歇根大学肾脏中心的同事使用一种称为单细胞RNA测序的自动化尖端技术来识别类器官中发现的所有不同类型的细胞。

“我们确定这些类器官确实类似于发育中的肾脏，但它们还含有以前未在这些培养物中表征过的非肾细胞，”哈德说。

“这些研究结果让我们更好地了解了这些类器官的性质，并为我们提供了改进的基线，”弗里德曼说。 “这个高吞吐量平台的价值在于，我们现在可以通过多种方式改变我们的程序，并快速了解哪些变化可以产生更好的结果。”

为证明这一点，研究人员发现了一种方法，可以大大扩展其类器官中的血管细胞数量，使其更像真正的肾脏。

研究人员还利用他们的新技术寻找可能影响疾病的药物。在这些实验中的一个实验中，他们产生了具有导致多囊肾病的突变的类器官，这是一种常见的遗传性疾病，影响全世界600人中的一人并且经常导致肾衰竭。

在这种疾病中，肾脏和其他器官中的微小管子像气球一样膨胀，形成膨胀的囊肿，挤出健康组织。

在他们的实验中，研究人员将多囊肾病类器官暴露于许多物质中。他们发现，一种叫做布雷他汀的因子阻断了一种叫做肌球蛋白的蛋白质，导致囊肿的数量和大小显着增加。

“这是出乎意料的，因为不知道肌球蛋白参与PKD，”弗里德曼说。肌球蛋白以其在肌肉收缩中的作用而闻名，可能使肾小管扩张和收缩。 Freedman解释说，如果它不能正常运作，可能会导致囊肿。

“这绝对是我们将要关注的途径，”他说。